一级直线倒立摆系统模糊控制器设计---实验指导书

一级直线倒立摆系统模糊控制器设计

实验指导书

目录

1 实验要求................................................................................. . (3)

1.1 实验准备................................................................................. . (3)

1.2 评分规则................................................................................. . (3)

1.3 实验报告容................................................................................. .. (3)

1.4 安全注意事项................................................................................. .. (3)

2 倒立摆实验平台介绍................................................................................. .. (4)

2.1 硬件组成................................................................................. . (4)

2.2 软件结构................................................................................. . (4)

3 倒立摆数学建模（预习

容） .............................................................................. (6)

4 模糊控制实验................................................................................. (8)

4.1 模糊控制器设计（预习容）............................................................................... (8)

4.2 模糊控制器仿真................................................................................. (12)

4.3 模糊控制器实时控制实验................................................................................. .. (12)

5 附录：控制理论中常用的MATLAB 函

数................................................................................. (13)

6 参考文

献............ .................................................................... (14)

1 实验要求

1.1 实验准备

实验准备是顺利完成实验容的必要条件。实验准备的主要容包括如下的几个方面：（1）复习实验所涉及的MATLAB 软件和模糊控制理论知识；

（2）熟悉实验的容和步骤；

（3）根据实验要求，作必要的理论分析与推导。

1.2 评分规则

实验满分为100 分，其中实验考勤及实验态度占15% ，实验预习占25% ，实验报告占60% （其术容占50% ，报告书写占10% ）。

（1）实验考勤与实验态度

实验考勤和实验态度主要针对课的学时进行考核。

（2）实验预习报告

实验预习容分为两大部分，即倒立摆数学建模和模糊控制的预习容。

（3）实验报告的技术容

实验报告的技术容主要包括实验数据的记录与分析和实验思考题的解答。

（4）实验报告书写

实验报告书写水平主要考虑文字表达水平（要求层次分明、表述清晰、简洁明了）和规程度（如图是否有坐标、单位和标题、公式书写及编号是否规等）。实验报告的书写不仅体现了作者的文字功底，而且反映了作者的治学态度。

提示1：报告正文原则上不超过10 页。

提示2：一旦发现抄袭行为，抄袭者和被抄袭者均按作弊处理。

1.3 实验报告容

实验报告包含以下的容。可根据实验的具体情况和要求进行适当调整。

（1）理论分析的主要步骤；

（2）仿真和硬件实物调试结果及分析（包括Matlab 程序或仿真模型，实物调试框图）；

（3）回答思考题；

（4）总结实验心得及对实验的意见或建议。

1.4 安全注意事项

（1）实验之前一定要做好预习。

（2）为了避免设备失控时造成人身伤害，操作时人员应该与设备保持安全距离，不要站在摆的两端。

（3）实验前，确保倒立摆放置平稳；要检查摆杆的可能摆动围，确保不会发生碰撞。

（4）如果发生异常，马上关闭电控箱电源。

（5）系统运行时禁止将手或身体的其他部位伸入小车运行轨道之间。

2 倒立摆实验平台介绍

倒立摆是一个典型的不稳定系统，同时又具有多变量、非线性、强耦合的特性，是自动控制理论中的典型被控对象。它深刻揭示了自然界一种基本规律，即一个自然不稳定的被控对象，运用控制手段可使之具有一定的稳定性和良好的性能。许多抽象的控制概念如控制系统的稳定性、可控性、系统收敛速度和系统抗干扰能力等，都可以通过倒立摆系统直观的表现出来。

本实验以固高科技公司的单级直线倒立摆为研究对象。倒立摆实验平台分为硬件和软件两大部分。

2.1 硬件组成

倒立摆硬件系统由倒立摆本体、计算机（含运动控制卡）、电控箱（包括交流伺服机驱动器、运动控制卡的接口板、直流电源等）三大部分组成。倒立摆系统的本体由被控对象（小车和摆杆）、传感器（角度传感器）和执行机构（松下伺服电机及其传动装置）组成。

（1）被控对象

倒立摆的被控对象为摆杆和小车。摆杆通过铰链连接在小车上，并可以围绕连接轴自由旋转。通过给小车施加适当的力可以将摆杆直立起来并保持稳定的状态。

（2）传感器

倒立摆系统中的传感器为光电编码盘。旋转编码器是一种角位移传感器，它分为光电式、接触式和电磁感应式三种，本系统用到的就是光电式增量编码器。

光电式增量编码器由发光元件、光电码盘、光敏元件和信号处理电路组成。当码盘随工作轴一起转动时，光源透过光电码盘上的光栏板形成忽明忽暗的光信号，光敏元件把光信号转换成电信号，然后通过信号处理电路的整形、放大、分频、记数、译码后输出。光电式增量编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度α，而这与码盘圆周所分狭缝的线数有